光催化分解水综述..
光催化分解水的历史
光催化分解水的历史光催化分解水是一项重要的能源研究领域，它可以利用太阳能来分解水，产生氢气和氧气，从而实现可再生能源的利用。
这一领域的研究起源于20世纪70年代，当时科学家们开始研究光催化剂在水分解反应中的应用。
最早的光催化剂是由二氧化钛（TiO2）制成的，它可以吸收光能并将其转化为电子能，从而促进水的分解反应。
然而，由于二氧化钛的能带结构不适合水的分解反应，这种材料的光催化效果并不理想。
随着研究的深入，科学家们开始寻找更好的光催化剂材料。
他们发现某些过渡金属化合物具有良好的光催化活性，如二氧化铋（Bi2O3）、钼酸盐（MoS2）等。
这些材料具有合适的能带结构，能够有效地吸收太阳能并促进水的分解反应。
在光催化分解水的研究中，科学家们还发现了一种重要的催化剂，即共敏剂。
共敏剂可以与光催化剂形成复合体，从而增强光催化剂的光吸收能力，并提高水分解反应的效率。
常用的共敏剂有染料分子、有机金属配合物等。
除了材料的研究外，科学家们还在反应条件的优化方面做出了很多努力。
他们发现，光催化分解水的效率受到光照强度、反应温度、溶液酸碱度等因素的影响。
通过优化这些反应条件，科学家们成功地提高了光催化分解水的效率。
近年来，光催化分解水领域取得了一系列重要的突破。
科学家们开发出了新型的光催化剂，如半导体纳米材料、金属有机框架材料等。
这些材料具有更好的光吸收性能和催化活性，能够实现高效的光催化分解水反应。
科学家们还利用纳米技术和表面修饰等手段，进一步提高了光催化分解水的效率。
他们通过调控材料的结构和表面性质，实现了光催化剂的高效利用和稳定性的提升。
随着技术的不断发展，光催化分解水已经成为一种具有重要应用前景的能源转化技术。
它可以利用太阳能来产生氢气，作为清洁能源供给系统。
此外，光催化分解水还可以用于环境污染物的降解、有机合成等领域。
总的来说，光催化分解水是一项具有重要意义的能源研究领域。
经过多年的努力，科学家们取得了诸多突破，不断提高光催化分解水的效率。
光催化处理废水原理
光催化处理废水原理一、引言随着工业化进程的加速和人口的增长，水资源的短缺和水污染问题日益严重。
废水处理成为环保领域中一个重要的研究方向。
光催化技术是一种新型的废水处理技术，具有高效、无二次污染等优点，因此被广泛应用。
二、光催化处理废水原理1. 光催化反应概述光催化反应是利用半导体材料在光照下产生电子空穴对，通过电子和空穴在溶液中传递和参与氧化还原反应，从而使有机物质分解为无害物质的过程。
2. 光催化反应机理（1）半导体材料吸收光子能量激发电子：当半导体材料处于光照状态下时，其表面会吸收到光子能量，激发出电子从价带跃迁到导带形成电子空穴对。
（2）电子空穴对在半导体表面扩散：由于半导体表面存在缺陷或氧化物等活性位点，在这些位点上电子空穴对可以相互作用并扩散。
（3）电子和空穴在溶液中参与氧化还原反应：当电子和空穴到达半导体表面时，它们可以与溶液中的氧分子或水分子发生氧化还原反应，生成自由基等活性物质，从而使有机物质分解为无害物质。
3. 光催化废水处理工艺（1）半导体材料的选择：目前常用的半导体材料有二氧化钛、氧化锌、二硫化钼等。
其中，二氧化钛是最常用的光催化材料之一，因为其光吸收谱覆盖了紫外到可见光区域，并且具有良好的稳定性和可再生性。
（2）反应器的设计：光催化反应器通常采用悬浮式或固定式两种形式。
悬浮式反应器通过搅拌或气泡等方式使溶液中的废水与半导体材料接触，固定式反应器则将半导体材料固定在反应器内壁上，让废水流过材料表面进行处理。
（3）光源的选择：不同的半导体材料对不同波长的光有不同的吸收能力，因此选择合适的光源对于提高光催化反应效率至关重要。
常用的光源有紫外灯、氙灯等。
4. 光催化反应影响因素（1）半导体材料性质：半导体材料的晶体结构、晶粒大小、比表面积等性质会影响其光催化活性。
（2）废水特性：废水中含有不同种类和浓度的有机物质、无机物质和微生物等，这些物质会影响光催化反应速率和效果。
（3）溶液pH值：溶液pH值对于半导体材料表面电荷状态和废水中活性物质形态等都具有重要影响，因此需要根据不同的废水特性选择合适的pH值。
光催化水分解的研究和开发
光催化水分解的研究和开发首先，光催化水分解的原理是利用光催化剂，如二氧化钛（TiO2），吸收光能并将其转化为化学能。
当光能达到一定的能量阈值时，催化剂将水分子分解为氧气和氢气。
其中，氧气是一种清洁的副产物，而氢气可以用作燃料，具有高能量密度和零排放的特点。
光催化水分解具有以下几个优势。
首先，它是一种可再生的能源转换技术，无需外部能源输入，只需太阳光就能实现水分解。
其次，光催化水分解可以利用光能来储存能量。
光能可以通过催化剂转化为化学能，从而在需要时释放出来。
这有助于解决可再生能源的间断性和不稳定性的问题。
最后，光催化水分解产生的氢气是一种清洁的燃料，可以用于替代化石燃料，减少温室气体的排放。
目前，光催化水分解的研究和开发已经取得了一些进展。
研究人员已经开发出了许多高效的光催化剂，如金属氧化物和半导体材料，用于提高水分解效率。
此外，研究还关注提高光吸收和光电转换效率的方法，如结构优化和复合材料的设计。
这些研究有助于提高光催化水分解的效果，并减少能量损失。
然而，光催化水分解仍然面临着一些挑战。
首先是效率问题，目前的光催化剂仍然存在着光吸收和转化效率不高的问题。
此外，水分解的动力学过程也需要进一步研究，以提高分解速率。
其次是催化剂的稳定性问题，光催化剂在长时间的使用过程中容易受到环境因素的影响，导致活性的降低。
因此，需要寻找更稳定的催化剂和提高其耐久性的方法。
总结起来，光催化水分解是一种有潜力的清洁能源转换技术。
它可以利用太阳能实现水分解，产生氧气和氢气作为能源。
目前的研究和开发主要集中在改善光催化剂的效率和稳定性方面。
随着技术的不断发展和进步，相信光催化水分解将成为一种重要的能源转换和储存技术，为可持续能源发展做出贡献。
光催化分解水的研究
对实验数据进行统计分析，可以得出光催化分解水的反应速率、转化率和选择性等参数。这些参数可以用于评估催化剂的性能和优化光催化分解水的过程。
VS
实验结果表明，光催化分解水是一种有效的水分解方法。催化剂在光催化反应中起到关键作用，其性能直接影响水分解的效果。因此，开发高效、稳定的催化剂是光催化分解水研究的重点方向。此外，光源的选择和优化也是提高光催化分解水效率的重要因素。
催化剂的分类与选择
光催化分解水的研究现状
02
近年来，我国在光催化分解水领域取得了一系列重要进展，研究团队不断壮大，研究成果逐渐增多。国内研究者们针对光催化材料的合成、改性以及反应机理等方面进行了深入研究，取得了一系列创新性成果。
国内研究进展
在国际上，光催化分解水的研究起步较早，欧美和日本等发达国家在该领域具有较高的研究水平和丰富的经验。国外研究者们致力于开发高效、稳定的光催化材料，并探索其在工业生产中的应用前景。
光催化分解水的研究
CATALOGUE
目录
光催化分解水的基本原理 光催化分解水的研究现状 光催化分解水的应用前景 光催化分解水的未来研究方向 光催化分解水的实际案例分析
光催化分解水的基本原理
01
光催化分解水是指利用光催化剂在光照条件下将水分子分解为氧气和氢气的过程。
光催化分解水是一种可持续、环保的能源生产方式，具有高效、低成本、无污染等优点。
01
光催化与电化学的结合
利用电化学方法提高光催化分解水的效率，如光电化学池的设计与应用。
02
光催化与热力学的结合
利用热力学方法优化光催化分解水的反应过程，如热力学循环系统的建立。
光催化分解水与其他技术的结合
光催化分解水的实际案例分析
光催化水分解制氢技术
光催化水分解制氢技术光催化水分解制氢技术：实现清洁能源的潜力探索引言：随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益突显，寻找替代传统能源的清洁、可再生能源已成为全球关注的焦点。
氢能作为一种高效、清洁的能源选择备受瞩目，而光催化水分解制氢技术作为一种新兴的制氢方法，正逐渐展现出巨大的潜力。
1. 光催化水分解制氢技术的原理和机制光催化水分解制氢技术利用半导体光催化剂，在外界光照下，将水分解成氢气和氧气。
该技术的核心是光催化剂的光吸收和电化学反应两个过程。
当光能量与光催化剂表面发生相互作用时，电子-空穴对被激发出来。
随后，光激发的电子-空穴对会进一步参与到光生电化学反应中，从而驱动水分子的解离，生成氢气和氧气。
2. 光催化水分解制氢技术的优势和挑战（1）优势：a. 清洁和可持续：光催化水分解制氢技术不会产生二氧化碳等有害物质，在未来可能成为一种非常清洁和可持续的能源供应方式。
b. 高效能源转化：光催化水分解制氢技术的能量转化效率较高，有望成为一种高效利用太阳能资源的方法。
c. 资源丰富：水作为地球上最丰富的资源之一，光催化水分解制氢技术具有可持续发展的基础。
（2）挑战：a. 光催化剂效率和稳定性：目前，效率和稳定性仍然是光催化水分解制氢技术的瓶颈。
科学家们正在致力于开发更高效、稳定的光催化剂材料。
b. 成本高昂：目前的激发光源和光催化剂的制备相对较昂贵，限制了该技术的商业化应用和发展速度。
c. 大规模应用难题：要实现光催化水分解制氢技术的大规模应用，需要解决设备和系统的规模化问题，以及与现有能源体系的整合问题。
3. 最新研究和进展近年来，科学家们对光催化水分解制氢技术进行了广泛的研究，取得了一些重要的进展。
a. 新型催化剂材料的开发：研究人员不断探索新型催化剂材料，如二氧化钛、二硫化钼等，以提高光催化水分解制氢技术的效率和稳定性。
b. 结构优化：通过调节光催化剂材料的结构和叠层数，可以改变其吸收光谱范围和电子传输性能，以提高制氢效率。
光催化分解水体系概述
催化分解水的基本原理。
锐钛矿型的Ｔｉ０２其价带到导带的禁带宽度约为３．２ｅＶ，当受到光子能量等于或高于禁带宽度的光辐照时，其价带上的电子（ｅ一）就会受激跃迁至导带，在价带上产生相应的空穴（ｈ＋），形成了电子一空穴对。
产生的电子、空穴在内部电场作用下分离并迁移到粒子表面。
光生空穴有很强的得电子能力，具有强氧化性，可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的物质被氧化，电子受体则通过接受表面的电子而被还原，完成光催化反应过程，如图１所示［¨：图１光催化分解水的基本过程模型①半导体光催化剂吸收能量足够大的光子，产生电子一空穴对；⑦电子一空穴对分离，向半导体光催化剂表面移动；③电子与水反应产生氢气Ｉ④空穴与水反应产生氧气Ｉ⑤部分电子与空穴复合，产生热或光。
光催化分解水反应式可写为（以Ｔｉ０２为例）‘“ｌ２Ｔｉ０２＋２ｈｖ—・２Ｔｉ０２＋２ｈ＋＋２ｅ一（１）２ｅ一＋２Ｈ＋—・Ｈ’＋Ｈ‘一Ｈ２（Ｚ）２ｈ＋＋２Ｈ２０一２Ｈ。
ｏ＋一２０Ｈ’＋２Ｈ＋（３）ｏＨ‘＋ｏＨ‘—，Ｈ：ｏ＋１／２０２（４）但也并不是所有的半导体光催化剂都能作为光分解水的催化剂，必须满足一定的氧化还原化学反应条件，即首先其禁带宽度要大于水的分解电压（理论值１．２３ｅＶ），且由于超电压的存在，半导体材料的禁带宽度要大于水的分解电压，其次，半导体光催化剂的价带位置应比Ｏ。
／Ｈ。
ｏ的电位更正，而导带的位置应比Ｈ＋／Ｈ。
更负，最合适的禁带宽度应为２．０ｅＶ左右‘…。
３光催化分解水体系自从Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ和Ｈｏｎｄａ发现可以利用二氧・１２８・化钛（Ｔｉ０２）光催化分解水制备氢气和氧气以来，各国学者一直致力于光催化分解水的研究，并在高效光催化剂的研究方面取得了重要进展，开发了为数众多的光催化剂ｏ］。
目前，光催化分解水的评价体系主要是粉末直接光照的水溶早匝悬浮反应体系和光电化学体系。
其中，粉末悬浮作为光催化分解水制氢的反应体系可用来评价半导体光催化剂的许多性质，如导带与价带的位置、禁带宽度、材料本身在水溶液中的稳定性等。
光催化完全分解水
光催化完全分解水
光催化完全分解水是一种利用光能将水分解成氢气和氧气的技术。
它是一种可再生能源技术，可以将太阳能转化为化学能，从而获得氢气和氧气。
1、原理：光催化完全分解水的原理是利用太阳能将水分解成氢气和氧气。
当太阳光照射到一种特殊的光催化剂上时，光催化剂会将太阳能转化为化学能，从而将水分解成氢气和氧气。
2、应用：光催化完全分解水的应用非常广泛，可以用于生产汽车燃料、发电、燃料电池等。
它还可以用于清洁能源的生产，如太阳能热水器、太阳能热泵等。
3、优势：光催化完全分解水的优势在于它是一种可再生能源技术，可以将太阳能转化为化学能，从而获得氢气和氧气。
此外，它还可以减少空气污染，因为它不会产生有害的废气。
4、缺点：光催化完全分解水的缺点在于它的成本较高，而且它的效率也不高。
此外，它还需要大量的太阳能，因此在太阳能不足的地方，它的应用受到限制。
光催化研究发展综述性报告
光催化研究发展综述性报告本人申请攻读动力工程与工程热物理专业博士学位，由于对后续能源与新能源技术专业太阳能分解水制氢方向有浓厚的兴趣，通过对相关文献的阅读和参加相关报告，对太阳能光催化分解水制氢有了详细的了解，对其发展简述如下：/ 、八1.前言当今人类社会面临能源和环境两大问题[1-2]。
能源的短缺和环境的污染严重制约着人类社会的发展。
一方面，社会的高速发展使得人类对于能源的需求越来越大，而我们目前所用的能源还是以传统的化石燃料为主，但是因为化石燃料的不可再生性，或者说是形成的时间周期太长，使得其必有枯竭的一天。
据估计，按照目前的开采水平和消耗量，石油还能够维持四十年左右，煤炭最多也就是两百年，而天然气还可以维持大概六十多年。
另一方面，化石燃料的燃烧，引起严重的环境污染和对环境的危害，如温室效应、酸雨、光化学烟雾等等，对人类的生存产生了严重的威胁。
研究自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然资源过程中的基本关系，以确保全球的可持续发展已经成为各国都十分关注的一个话题。
就像美国，在2009 年提出的7870 亿美元的巨额经济刺激计划中，把发展新能源定位于抢占未来发展制高点的重要战略产业，并提出在未来的三年的时间里，国内可再生能源产量要增加一倍。
而我国人口众多，常规能源储备远低于世界平均水平，而且近几十年来，环境污染也是日益严峻。
这使得寻找一种清洁可持续的替代能源变得更加迫切。
而我国幅员辽阔，拥有极为丰富的太阳能资源，开发潜力巨大，从长远发展来看完全可以满足国家可持续发展的需求。
但太阳能能量密度低、分散性强、不稳定、不连续的缺点使得我们至今仍缺乏对其高效低成本大规模利用的有效手段。
但是考虑到占地表约3/4 的水域和植物的光合作用，我们是不是可以利用太阳能分解水，制取氢气,而氢气又是是一种无色无臭无味无毒的清洁燃料，具有储能密度高、无污染、易于与电能相互转换等优点，被视为一种最为理想的替代能源。
1972年，日本学者Fujishima和Honda[3]对光照TiO?电极导致水分解产生氢气的发现，使得太阳能转化为氢能成为了现实，也为利用太阳能过程中各种困难的解决提供了一个理想的途径。
光催化分解水综述
催化剂稳定性差
许多光催化剂在长时间光照或多 次使用后容易失去活性，需要解 决催化剂的稳定性问题。
可见光利用率低
目前大多数光催化剂主要利用紫 外光，对可见光的利用率相对较 低，需要开发能够高效利用可见 光的光催化剂。
未来发展方向与前景
新型光催化剂的研发
01
研究新型的光催化剂，如金属氧化物、钙钛矿、二维材料等，
表面反应与产物生成
表面反应
在光催化材料的表面，水分子通过光生电子 和空穴的作用被分解为氧气和氢气。
产物生成
产物生成是光催化分解水的最终目的，其产 量和纯度受到多种因素的影响，如催化剂的
选择、反应条件等。
06 光催化分解水的挑战与前 景
目前存在的问题与挑战
效率低下
目前光催化分解水的效率普遍较 低，需要进一步提高产氢和产氧 的速度。
能带结构
光催化材料的能带结构决定了其对光的吸收 范围，是实现光催化分解水的重要基础。
光吸收
光催化材料需要能够吸收太阳光中的可见光 和近红外光，以便利用太阳能进行光催化分 解水。
电子传输与空穴复合
电子传输
在光催化过程中，光生电子和空穴需要能够有效地传输至催化剂的表面，参与光催化反 应。
空穴复合
空穴是光催化过程中的另一种重要活性物种，其与电子的复合会影响光催化效率，因此 需要抑制空穴的复合。
反应温度与压力
总结词
反应温度和压力是影响光催化分解水的重要因素。
详细描述
在一定范围内，提高反应温度能够促进光催化反应的进行，提高产氢和产氧的效率。然而，过高的温度可能导致 催化剂失活或产生其他副反应。反应压力对光催化分解水的影响较为复杂，需要针对特定的光催化剂和反应条件 进行深入研究。
光催化分解水的原理
光催化分解水的原理
光催化分解水是一种利用光能将水分子分解成氢气和氧气的过程。
其原理基于光催化材料的特性和光化学反应的机制。
首先，光催化材料通常是一种半导体材料，如二氧化钛（TiO2）或氧化铟锡（ITO），它们具有特殊的电子结构。
这些材料能够吸收
光能，并将其转化为电子激发。
当光能量大于材料的带隙能量时，
光子会激发材料中的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
其次，光催化材料表面的电子空穴对会参与光化学反应。
在水
分解反应中，光催化材料表面的电子会被水分子吸附，使水分子发
生还原反应，产生氢气。
而电子空穴对则会氧化水分子，产生氧气。
具体来说，当光能被光催化材料吸收后，电子从价带跃迁到导带，形成导电的电子和具有强氧化性的空穴。
这些电子和空穴在材
料表面发生还原和氧化反应。
水分子中的氧原子与电子发生还原反应，生成氢气，而水分子中的氢原子与空穴发生氧化反应，生成氧气。
这样，光催化材料表面的光化学反应就实现了水的分解。
此外，光催化分解水还需要一定的外加电势来促进反应的进行。
外加电势可以调节光催化材料表面的电子和空穴的能级，提高反应的效率。
总结起来，光催化分解水的原理是基于光催化材料的特性和光化学反应的机制。
通过吸收光能，光催化材料表面的电子和空穴参与水的还原和氧化反应，分解水分子生成氢气和氧气。
外加电势可以提高反应效率。
这一过程为可持续能源的开发和利用提供了一种潜在的途径。
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缺点
光激发在同一个半导体微粒上产生的电子-空穴对极易复合 不但降低了光电转换效率，同时也影响光解水同时放氢放氧
MADE BY EAST6Biblioteka 2. 半导体光催化水解制氢
2.1 半导体光解水制氢的反应历程
半导体光催化剂吸收光子,形成电子-空穴对
电荷分离并转移到表面的反应活性点上
在表面进行化学反应,从而析出氢气和氧气
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7
半导体光解水制氢的原理
以TiO2（负载Pt和RuO2）为例。TiO2为n型半导体，其 价带(VB)和导带(CB)之间的禁带宽度为3.0eV左右。当它受 到其能量相当或高于该禁带宽度的光辐照时，半导体内的电 子受激发从价带跃迁到导带，从而在导带和价带分别产生自 由电子和空穴。水在这种电子-空穴对的作用下发生电离， 生成H2和O2。 表面所负载的Pt和RuO2分别能加速自由电子 向外部的迁移,促进氢气的产生和加速空穴的迁移有利于氧 气的生成
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Ni掺杂改性的作用
由于层间的K＋具有较好的交换特性，所以层状铌酸盐比 较容易进行改性。例如Domen等将Ni 离子引入K4Nb6O17 的 层Ⅰ中,经还原- 氧化处理后,形成的新型催化剂具有较高的 催化活性
机理 在光的作用下,Ni-O 层中生成的自由电子(e - ) 移向
BaTa2O6(Ortho) *
4.1
126
59
*水中加入少量的Ba(OH)2
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3.1.3 过渡金属钽酸盐
可以看出，在没有共催化剂的条件下， Activity/μmol h-1 只有 NiTa O 可以分解纯水为氢和氧；在 Catalyst 2 7 Band gap/eV 负载NiO后，ZnTa2O7也具有了光催化分 H2 O2 解水活性。而其他过渡金属钽酸盐均不 CrTaO4 2.7 2 0 能产生氧气（CuTa2O7尽管可以分解水产 MnTa2O6 3.3 0.2 0 生氧气和氢气，但产生的量太少）
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小结
由于钽酸盐的特殊结构,以及高的导带,因此使得此种材料 光催化分解水具有一定的优势。然而它们的禁带宽度很大, 大大降低了太阳能的利用率。因此需通过掺杂或改性的方法, 提高能源的利用
在保证氧气能够析出的前提下,我们可以通过碳掺杂、氮 掺杂、硫掺杂、氟掺杂等阴离子掺杂的方法,对价带进行调 节和控制,从而缩小禁带宽度；或通过运用其他的元素如掺 杂银离子、铋离子等创造出新的价带
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1. 水的太阳能光解
从太阳能利用角度看，光解水制氢主要是利用太阳能中 阳光辐射的紫外和可见部分。目前，光解水制氢主要通过以 下三个途径实现
光化学电池（PEC） 光助络合催化 半导体光催化
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1.1 光化学电池（PEC）
光化学电池是通过光阳极吸收太阳能并将光能转化为电 能。光阳极通常为光半导体材料，受光激发可以产生电子空穴对。光阳极和对极组成光电化学池，在电解质存在下光 阳极吸光后在半导体导带上产生的电子通过外电路流向对极， 水中的质子从对极上接受电子产生氢气
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3.1.2 碱土金属钽酸盐
碱土金属钽酸盐BaTa2O7和MgTa2O7均可在光催化分解纯 水为氢和氧。研究发现BaTa2O7中,其光催化分解水的活性是 由晶型决定的:正交晶系> 四方晶系> 六方晶系的光解水材料
研究还发现,在水中加入少量的Ba(OH)2 ,其活性更加显著, 可能是由于Ba2+的加入,减少了光催化剂的溶解程度,降低了 其晶体缺陷,提高了光催化剂的活性
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3.1 钽酸盐光催化剂
日本东京理工大学H.Kato和A.Kudo研究组研究了一系列 的钽酸盐的光催化活性。研究发现与钛酸盐催化剂不同，钽 酸盐催化剂即使在没有负载复合光催化剂（如Pt）的情况下, 其光催化性能也比TiO2 的光解水效率高的多
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3.1.1 碱金属钽酸盐
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3. 新型光解水催化剂
目前广泛使用的半导体催化剂主要是过渡金属氧化物和 硫化物。其中对TiO2光催化剂研究得最多。CdS也是研究得 较多的催化剂，其禁带宽度只有2.4 eV，可利用太阳能，且 具有很好的放氢活性，但由于易发生光腐蚀而受到限制
现在主要介绍一些新近研究的催化剂，如钽酸盐光催化 剂，层状结构化合物催化剂及其他一些特殊结构的催化剂
光催化分解水综述
前言
氢是一种热值很高的清洁能源,其完全燃烧的产物—水 不会给环境带来任何污染,而且放热量是相同质量汽油的2. 7 倍。因而开发低能耗高效的氢气生产方法,已成为国内外众 多科学家共同关注的问题 自从日本的Fujishima 等于1972 年首次发现在近紫外光 (380nm) 的作用下,金红石型TiO2 单晶电极能使水在常温下 分解为H2 和O2 以来,从光能量转换的观点出发,光催化分解 水制取氢气领域出现了大量的研究
抑制电子-空穴再结合的途径主要通过光催化剂的改性 来实现。主要方法有贵金属沉积；复合半导体；离子掺杂； 表面光敏化；表面还原处理；超强酸化；表面螯合及衍生作 用等
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2.4.2 氢和氧结合逆反应的抑制
加入电子给体或受体 添加高浓度碳酸根离子 其他途径
通过除去反应生成的气相产物、在反顶部照射、设计层 对于典型的Pt-TiO2催化剂，高浓度的碳酸根离子可以 光催化分解水可以分为水的还原和水的氧化两个反应。 状结构催化剂（使氢和氧在不同位臵的反应点产生）等 抑制在Pt上发生的逆反应，同时通过形成过碳酸根也 通过向体系中加入电子给体不可逆的消耗反应产生的空穴， 方法阻止逆反应的发生 促进了氧的释放 以提高放氢反应的效率；通过加入电子受体不可逆的结合 产生的电子，以促进放氧反应的效率
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3.2 层状结构光催化剂
层状结构的光解水催化剂与体材料形态的光解水催 化剂相比,最大的优势是能够利用层状空间作为合适的 反应点,分别在不同层间析出氢气和氧气,减少了电子空穴的复合几率,增大了反应效率
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3.2.1 离子交换层状铌酸盐
层状铌酸盐K4Nb6O17 的主体结构由NbO6 八面体组成,由 两种不同的层(层Ⅰ和层Ⅱ) 交错而形成二维结构。层状主体 带负电荷,层间分布着保持电荷平衡的K+ K4Nb6O17的层间空间能自发地发生水合作用，在高湿度 的空气和水溶液中很容易发生水合，这表明在光催化反应中， 反应物水分子很容易进入层间空间
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负载NiO的作用
在碱金属钽酸盐上负载一定量活性组分NiO时，催化活 性得到提高。其中NiO/ NaTaO3催化剂光催化活性最高 由于NaTaO3比NiO的导带更负一些，反应时 NaTaO3导带上的光生电子，能够迁移到活性组分NiO导带上 （H2 的释放场所），促使了内部电荷与空穴的有效分离， 从而大大提高了光催化活性；相应地，由于KTaO3导带比 NiO导带正一些，所以无法有上述光生电子迁移，致使 NiO/KTaO3光催化活性的提高并不明显
机理
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La掺杂的作用
通过La的掺杂可以进一步提高NiO/NaTaO3的催化活性。 由于La的掺入材料的粒径降低到0.1～0.7nm，同时在晶粒表 面形成了阶梯状结构，这都减少了光生电子-空穴到达催化 剂表面活性点的距离，因而催化活性得到提高
SEM images of (a) NaTaO3 and (b) NaTaO3:La
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1.3 半导体光催化
将光半导体（如TiO2,CdS）微粒直接悬浮在水中进行光 解水反应。半导体光催化在原理上类似于光化学电池，细小 的光半导体微粒可以被看作一个个微电极悬浮在水中，像光 阳极一样起作用，所不同的是它们之间没有像光电化学池那 样被隔开
优点 半导体光催化分解水制氢的反应体系大大简化
位于层Ⅰ中的Ni 金属超微粒子,从而形成H2 ；而O2 则在层 Ⅱ中形成。 这样,由于氢氧被有效分离,抑制了逆反应进程,从 而提高了H2 的生成率
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NiO-K4Nb6O17光解水反应机理
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具有类似结构的Rb4Nb6O17在负载NiOx后，在紫外光的照 射下也具有较高的分解水的活性
碱金属钽酸盐光催化分解水活性 Activity/μmol h-1
Catalyst LiTaO3 NaTaO3 KTaO3
Band gap/eV 4.7 4.0 3.6
H2
6 4 29
O2
2 1 13
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晶体结构对光催化活性的影响
从上表可以看出，在没有负载共催化剂的情况下。催 化活性为LiTaO3 < NaTaO3 <KTaO3。这些钽酸盐光解水材 料是由TaO6 八面体构成( TaO6八面体共同分享1个角) 研究发现：Ta-O-Ta的键角越接近180°,激发能越容易 分散,电子-空穴越容易分离,禁带也变得越来越小。在 LiTaO3 、NaTaO3 、KTaO3 中, Ta-O-Ta 的键角分别为143°、 163°、180°,因此激发能的分散能力为: LiTaO3 < NaTaO3 <KTaO3
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1.2 光助络合催化
光助络合催化是人工模拟光合作用分解水的过程。从原 理上模拟光合作用的吸光、电荷转移、储能和氧化还原反应 等基本物理化学过程 该反应体系比较复杂，除了电荷转移光敏络合物以外， 还必须添加催化剂和电子给体等其他消耗性物质。此外，大 多数金属络合物不溶于水只能溶于有机溶剂，有时还要求有 表面活性剂或相转移催化剂存在以提高接触效率